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                【論文】預應力技術在橋梁工程中的發展與應用
                發布時間:2016-04-25  點擊數:

                  

                  (-航發建設公司   李揚-)

                  摘要:在橋梁工程建設中,預應力技術應用越來越廣泛,已經通過理論技術、工程檢測、施工工藝等方面形成了一整套的理論體系。本文介紹了預應力技術優勢、特點以及預應力技術在混凝土連續梁橋、斜拉橋、橫張混凝土橋梁等橋梁結構中的典型應用情況,分析了橋梁工程預應力技術在實際應用中存在的問題,并指出應該不斷地積累經驗、深入研究,在成熟理論基礎上進行工程實踐,以提高解決問題的能力。

                  關鍵詞:橋梁工程;預應力

                  1 引言

                  隨著我國橋梁工程建設的不斷發展,運用于橋梁工程的新技術、新工藝也在不斷進步與發展。預應力技術憑借著自身的優勢,在理論計算、材料設備、試驗檢測和施工工藝等方面已經形成了一個較為完整的技術體系。

                  在國外,1886年美國工程師P H Jackson和德國的CEW Doehring先后把預應力技術應用到混凝土結構,但由于鋼筋的應力松弛、混凝土的收縮及徐變很快就將所施加的低預拉應力損失掉,直到1928年法國的Eagene Freyssinet首次將高強度鋼絲應用于預應力混凝土,才取得成功,并在20世紀40年代后得到廣泛應用與發展。而我國在20世紀50年代開始試驗研究預應力混凝土結構,先后成功應用于隴海線上一座28*23.8m跨新沂河的預應力混凝土鐵路梁橋和京周公路上一座跨徑為20 m的裝配式后張預應力混凝土簡支梁橋。

                  近年來,隨著政府和社會公眾對于橋梁工程建設的關注度越來越高,相關的專業技術人員在原有的施工技術基礎上,不斷的提高工藝水平,加強施工材料的質量監管,以滿足橋梁建設行業進步的要求。作為一項有著悠久歷史,又不斷創新的技術——預應力技術,它在橋梁工程建設中扮演不可或缺的角色,提高了工程建設施工的速度和質量,簡化了工程施工的結構,給橋梁工程施工建設帶來了巨大的便捷。

                  2 預應力技術概述

                  2.1 預應力技術含義及優勢

                  預應力技術,通俗來說就是在工程結構構件在沒承受外荷載時,施加預應的壓力在受拉模塊里的鋼筋上,以達到加強構件剛度和延長出現裂縫的時間,從而提高結構的耐久性。因施加預應力的結構具有強度高、剛度大、抗裂性好等優點,從而成為建造大(大型、大跨)、高(高層、高聳)、重(重載)、特(特種)等工程的主要結構形式。20世紀20年代以來,預應力技術得以迅速發展,以高強度、低松弛預應力鋼絲、鋼絞線及FRP筋為代表的新型預應力材料以及以緩粘結和橫張預應力技術為代表的預應力施工技術已慢慢成為預應力技術發展的主流方向。

                  預應力技術不僅僅能運用于道路橋梁結構建設,還能運用于路橋加固維修,對山體和邊坡之類的地段進行錨固的加強,以及頂推施工等橋梁建設的各個方面。在橋梁工程結構中,預應力技術的優勢顯得更為突出,不僅能夠有效地節省施工的材料,減輕結構自重,提高結構的抗裂和抗滲能力,增強結構剛度,而且施工工藝比較便捷,結構簡易且安全。世界范圍內的各種大型橋梁結構,幾乎都在不同程度上采用了預應力技術,與其它土木工程結構有所不同,橋梁結構對大跨的需求更加突出,所承受荷載也以動荷載為主,施工環境和條件也更加復雜,因此預應力技術橋梁結構中的應用也形成了其獨有的特點。

                  2.2 橋梁結構中預應力技術的特點

                  依托于橋梁工程本身的特征,預應力技術的特點,主要體現在以下幾個方面:

                  (1)利用高強度材料,提高橋梁跨越能力

                  由于預應力結構充分利用高強度材料,其構件截面小,自重彎矩占總彎矩的比例也被大大減小,橋梁的跨越能力也大大提高。目前,預應力技術已被廣泛應用到各種形式的橋梁結構中,以提高其跨徑。

                  (2)改善結構受力,增強結構耐疲勞性能

                  橋梁結構是特殊結構,在車輛等動荷載的作用下,結構體不可避免地產生振動,易使結構發生疲勞破壞,從而影響結構的使用壽命。使用預應力結構后,預應力技術可以降低結構中的應力循環幅度,進而改善結構受力情況,提高結構抗疲勞性能。

                  (3)完善施工技術,融合施工架設工藝

                  橋梁結構領域中,預應力技術既是一種結構手段,又是與施工方法結合形成一整套以節段式施工為主體的預應力施工方法,預應力技術的應用發展,不僅使橋梁結構的施工方法在預應力混凝土梁橋中得到新的發展與應用,而且還為現代預制裝配式結構提供了最有效的接合和拼裝手段。

                  3 預應力在橋梁工程中的應用

                  由于預應力技術能夠提供優良的結構性能和便利的施工架設工藝,因而被廣泛應用于預應力混凝土連續梁橋、斜拉橋、預彎預應力混凝土梁橋、橫張橋等各種形式的橋梁結構中。下面就幾種典型橋梁結構中預應力技術應用進行簡單介紹。

                  3.1 預應力混凝土連續梁橋

                  由于預應力結構可以有效地避免混凝土開裂,能充分發揮高強材料的特性,促使結構輕型化,預應力混凝土連續梁橋具有比鋼筋混凝土連續梁橋較大的跨越能力,加之它具有變形和緩、伸縮縫少、剛度大、行車平穩、超載能力大、養護簡便等優點,所以在近代橋梁建筑中已得到越來越多的應用。

                  杭州灣跨海大橋于2007年6月26日全線貫通.該橋北起嘉興市海鹽,跨越杭州灣海域,南止于寧波市慈溪,全長36 km,為當時世界上已建成以及在建中的最長跨海大橋.杭州灣跨海大橋建成后,寧波至上海的陸路距離縮短約120 km.該橋全橋采用預應力技術,其中南、北航道橋采用了斜拉橋結構型式,其他部位均采用預應力混凝土連續箱梁橋。

                  3.2 斜拉橋

                  斜拉橋是一種橋面體系以加勁梁受壓(密索)或受彎(稀索)為主及支承體系以斜索受拉和橋塔受壓為主的橋梁。進入20世紀70年代后,預應力混凝土斜拉橋大量興起,在斜拉橋的設計及施工中,斜索的預張力對整個斜拉橋的工作狀態起著重要的作用。對斜索施加預張力是為了充分利用拉索抗張拉的潛力,以改善結構的受力情況,有效提高其剛度和抗風穩定性好。

                  蘇通長江大橋是交通部規劃的黑龍江嘉蔭至福建南平國家重點干線公路跨越長江的重要通道.蘇通大橋為國家重點工程,東距長江入???08 km,西距江陰大橋82 km,大橋全長32.4 km,由跨江大橋和南、北接線組成。該橋的斜拉索采用低松弛高強度平行鍍鋅鋼絲束,邊跨索距為10 m、16 m,中跨索距為16 m,斜拉索橫向吊點間距為35.4 m,全橋共設4*34對斜拉索,建成后創造了四個世界之最:跨徑1088 m,建成后成為世界最大跨徑斜拉橋;世界規模最大、入土最深的橋梁樁基礎;橋塔為世界最高;最長索為577 m,最大重量為59 t,是世界最長斜拉索。

                  3.3 橫張預應力混凝土橋

                  橫張預應力技術是重慶交通學院周志祥教授率先提出并研制成功的一項預應力新工藝。它在預彎預應力鋼筋砼梁的基礎上對張拉錨固方式、后澆混凝土的施工等方面作了較大的改進,其基本原理為:在梁體的中段,預應力筋與混凝土完全分離,力筋兩端伸入混凝土中利用粘結力錨固,借助橫向張拉力筋對梁體施加豎直向上的力,從而使張拉側的混凝土獲得所需的預壓應力。

                  與常規后張預應力混凝土橋梁相比,橫張預應力混凝土橋梁具有以下四大特點:1)改傳統的預留孔道為預留明槽,節省成孔、定位材料及其工序;2)克服了管道壓漿質量不定性及其危害;3)改專用錨具錨固為粘結力自錨,節省了專用錨具、部分局部加強鋼筋及預應力鋼筋,梁端無需預留張拉操空間,相鄰跨梁的建造互不干擾; 4)改縱向張拉為橫向張拉,橫向張拉力僅需縱向張拉力的1/5-1/7即可達到同等預應力效果,能將必須多次重復進行的縱向張拉簡化為一次性橫向張拉,避免了由管道摩阻引起的預應力損失和分批張拉產生彈性壓縮引起的預應力損失。

                  童家院子立交橋是第一座橫張預應力混凝土連續梁橋。該橋位于渝(重慶)黔(貴州)高速公路跨越渝黔主線和渝(重慶)長(長壽)線匝道的3跨橫張預應力混凝土連續梁立交橋,跨徑組合為21.25 m+35 m+21.25 m=77.50 m,系單箱單室截面。該橋由于中跨所分擔的正彎矩較大,為了適應結構的受力需要,中跨設置20根鋼絞線,邊跨設置12根鋼絞線,其中12根預應力鋼絞線為通常布置,另8根主要布置在中跨。由于該橋應用了預應力施工工藝及張拉設備,方便了施工,提高了工效,使主梁造價降低了20%-30%,經濟效益和社會效益顯著增加。

                  4 橋梁工程建設中預應力技術存在的問題

                  4. 1選擇預應力張拉的時機問題

                  近幾年,隨著新材料不斷出現,多采用添加早強劑的方式提高混凝土預應力的早期強度,在混凝土澆注3d之后就開始張拉。在混凝土養護過程中,若混凝土強度增加過快,彈性模量增加過于緩慢,則會增加預應力的損失,使橋梁承載能力不足,從而出現較多的裂縫。

                  4.2 預應力的管道易堵塞問題

                  造成預應力鋼筋的管道堵塞的原因主要是由于施工人員的技術經驗不足,在混凝土的澆筑過程里,沒有及時跟進保護措施和操作時的野蠻作業,導致預應力鋼筋的管道出現堵塞,無法順利穿過預應力鋼筋,從而影響了張拉效果,也就說在張拉時,預應力鋼筋伸長的實際值和理論值會產生很大的出入,最終,會增加道路橋梁施工的成本甚至是延長工期。因此,在澆筑混凝土時要杜絕野蠻的施工,且要安排專業人員跟班保護,在預留孔道時,要對抽芯時間進行控制,避免在混凝土沒有達標時就抽芯或者是抽得太晚而拔不出或拔斷。

                  4.3 預應力張拉控制不夠嚴謹問題

                  在我國,由于預應力新技術的起步比較晚,公路橋梁預應力施工沒有較為明確的規范,張拉控制不夠嚴謹,在實際的施工中,不規范的操作就較為嚴重,沒有進行相關專業培訓,對于張拉的控制忽高忽低,導致實際誤差較大。很多工程都用了1.5級的油壓對張拉力進行計量,特別有些工程甚至沒有進行千斤頂的計量標定就將它應用到了張拉中。所以要加強施工人員的專業技術培訓,提升整體設備條件,規范施工。

                  4.4 預應力張拉前混凝土裂縫問題

                  在橋梁預應力施工中,混凝土的結構很容易因為溫差和收縮等問題出現裂紋,也別是在大型的結構及構件中,通常都是在張拉前就出現了裂縫,這就導致預應力損失對工程質量產生嚴重影響,因此,施工中不能過多使用外加劑來增加和易性,應盡量采用強度高、水灰比小的混凝土,通過高質量的收縮與低徐變量來控制工程質量。

                  5 結束語

                  綜上所述,預應力技術在橋梁工程領域有著強大的發展潛力和技術競爭力,雖然在橋梁中的應用中還有很多問題沒有解決,但是隨著預應力技術的不斷發展,將來預應力橋梁必將向更大跨、更重載、更耐久的方向發展。因此,在橋梁工程建設中過程中,我們應該不斷地積累經驗、深入研究,在成熟理論基礎上進行工程實踐,以提高解決問題的能力,提高道路橋梁建設的工藝水平和質量。

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